作為一類新型磁性材料,交錯(cuò)磁體的核心特征在于零凈磁化強(qiáng)度和動(dòng)量依賴自旋劈裂的能帶結(jié)構(gòu),突破了傳統(tǒng)鐵磁體與反鐵磁體的分類框架。角分辨光電子能譜(ARPES)測(cè)量首先在半導(dǎo)體材料MnTe和MnTe2中觀測(cè)到自旋劈裂的能帶結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)上確認(rèn)了交錯(cuò)磁體的存在。相比之下,金屬性的交錯(cuò)磁體不僅為研究低能準(zhǔn)粒子激發(fā)提供了獨(dú)特的平臺(tái),同時(shí)在自旋電子學(xué)應(yīng)用方面具有巨大潛力。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心EX7組、T03組、SC10組和EX1組等多個(gè)課題組合作,通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量與理論計(jì)算,在KV2Se2O中揭示了金屬性室溫交錯(cuò)磁體的存在,并闡明了其獨(dú)特的d波自旋–動(dòng)量鎖定特性及自旋密度波轉(zhuǎn)變。
KV2Se2O具有層狀的晶體結(jié)構(gòu),其中V和O原子形成V2O平面。核磁共振譜測(cè)量表明,V原子在室溫以上形成長(zhǎng)程磁有序,自旋沿c軸反平行排列,并在100K附近發(fā)生自旋密度波轉(zhuǎn)變。ARPES實(shí)驗(yàn)解析出KV2Se2O的電子能帶結(jié)構(gòu),結(jié)合不同磁結(jié)構(gòu)下的能帶計(jì)算,發(fā)現(xiàn)交錯(cuò)磁有序的計(jì)算能帶結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開展自旋分辨ARPES測(cè)量,觀測(cè)到具有d波對(duì)稱性的動(dòng)量依賴自旋極化,為KV2Se2O交錯(cuò)磁性的存在提供了確定性證據(jù)。能帶計(jì)算表明,KV2Se2O在費(fèi)米能級(jí)處的自旋劈裂高達(dá)1.6eV,這是目前已知交錯(cuò)磁體材料中的最高記錄。此外,ARPES實(shí)驗(yàn)在自旋密度波相中觀測(cè)到嵌套的準(zhǔn)一維費(fèi)米面打開各向同性的能隙,表明費(fèi)米面嵌套是驅(qū)動(dòng)自旋密度波轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵因素。
該研究成果以“A metallic room-temperature d-wave altermagnet”為題,于2025年3月18日在線發(fā)表于Nature Physics。物理所博士生江北、胡明哲、白建利、宋子寅和博士后牟超為共同第一作者,物理所錢天研究員、翁紅明研究員、李航副研究員、陳根富研究員和李政副研究員為通訊作者。合作者還包括物理所李世亮研究員、何倫華研究員、雒建林研究員、魏忠旭副研究員、北京大學(xué)彭瑩瑩助理教授、南方科技大學(xué)孫煜杰副教授等。本研究得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科學(xué)院等科研項(xiàng)目的資助,并依托懷柔綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置、上海同步輻射光源和中國(guó)散裂中子源完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。?
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圖:a,KV2Se2O的晶體結(jié)構(gòu)、磁結(jié)構(gòu)和溫度依賴核磁共振譜;b,理論計(jì)算和ARPES測(cè)量的電子結(jié)構(gòu)及自旋極化ARPES數(shù)據(jù)。